The distribution of quantum states over long distances is limited by photon loss. Straightforward amplification as in classical telecommunications is not an option in quantum communication because of the no-cloning theorem. This problem could be overcome by implementing quantum repeater protocols, which create long-distance entanglement from shorter-distance entanglement via entanglement swapping. Such protocols require the capacity to create entanglement in a heralded fashion, to store it in quantum memories, and to swap it. One attractive general strategy for realizing quantum repeaters is based on the use of atomic ensembles as quantum memories, in combination with linear optical techniques and photon counting to perform all required operations. Here the theoretical and experimental status quo of this very active field are reviewed. The potentials of different approaches are compared quantitatively, with a focus on the most immediate goal of outperforming the direct transmission of photons.

We observe strong violation of Bell's inequality in an Einstein, Podolsky and Rosen type experiment with independent observers. Our experiment definitely implements the ideas behind the well known work by Aspect et al. We for the first time fully enforce the condition of locality, a central assumption in the derivation of Bell's theorem. The necessary space-like separation of the observations is achieved by sufficient physical distance between the measurement stations, by ultra-fast and random setting of the analyzers, and by completely independent data registration.

We propose an experiment for creating quantum superposition states involving of the order of 10(14) atoms via the interaction of a single photon with a tiny mirror. This mirror, mounted on a high-quality mechanical oscillator, is part of a high-finesse optical cavity which forms one arm of a Michelson interferometer. By observing the interference of the photon only, one can study the creation and decoherence of superpositions involving the mirror. A detailed analysis of the requirements shows that the experiment is within reach using a combination of state-of-the-art technologies.

By realizing a quantum cryptography system based on polarization entangled photon pairs we establish highly secure keys, because a single photon source is approximated and the inherent randomness of quantum measurements is exploited. We implement a novel key distribution scheme using Wigner's inequality to test the security of the quantum channel, and, alternatively, realize a variant of the BB84 protocol. Our system has two completely independent users separated by 360 m, and generates raw keys at rates of 400-800 bits/s with bit error rates around 3%.

The distribution of entangled states between distant locations will be essential for the future large-scale realization of quantum communication schemes such as quantum cryptography and quantum teleportation. Because of unavoidable noise in the quantum communication channel, the entanglement between two particles is more and more degraded the further they propagate. Entanglement purification is thus essential to distil highly entangled states from less entangled ones. Existing general purification protocols are based on the quantum controlled-NOT (CNOT) or similar quantum logic operations, which are very difficult to implement experimentally. Present realizations of CNOT gates are much too imperfect to be useful for long-distance quantum communication. Here we present a scheme for the entanglement purification of general mixed entangled states, which achieves 50 per cent of the success probability of schemes based on the CNOT operation, but requires only simple linear optical elements. Because the perfection of such elements is very high, the local operations necessary for purification can be performed with the required precision. Our procedure is within the reach of current technology, and should significantly simplify the implementation of long-distance quantum communication.

An efficient multimode quantum memory is a crucial resource for long-distance quantum communication based on quantum repeaters. We propose a quantum memory based on spectral shaping of an inhomogeneously broadened optical transition into an atomic frequency comb (AFC). The spectral width of the AFC allows efficient storage of multiple temporal modes without the need to increase the absorption depth of the storage material, in contrast to previously known quantum memories. Efficient readout is possible thanks to rephasing of the atomic dipoles due to the AFC structure. Long-time storage and on-demand readout is achieved by use of spin states in a lambda-type configuration. We show that an AFC quantum memory realized in solids doped with rare-earth-metal ions could store hundreds of modes or more with close to unit efficiency, for material parameters achievable today.

We propose a quantum repeater protocol which builds on the well-known Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) protocol [L. M. Duan, M. D. Lukin, J. I. Cirac, and P. Zoller, Nature (London) 414, 413 (2001)], but which uses photon pair sources in combination with memories that allow to store a large number of temporal modes. We suggest to realize such multimode memories based on the principle of photon echo, using solids doped with rare-earth-metal ions. The use of multimode memories promises a speedup in entanglement generation by several orders of magnitude and a significant reduction in stability requirements compared to the DLCZ protocol.

To realize scalable quantum information networks in the near future, it will be important to develop techniques for storage and retrieval of light at the single photon level. Quantum interfaces between light and matter have been demonstrated before, but mainly with atomic gases, necessitating sophisticated schemes to trap the atoms. de Riedmatten et al. demonstrate a potentially more practical approach; coherent and reversible mapping of a light field with less than one photon per pulse onto an ensemble of about 107 atoms naturally trapped in a solid-state medium. The state of the light is mapped onto collective atomic excitations on an optical transition and stored for a pre-programmed time up of to one microsecond before being retrieved again. The authors also demonstrate that light can be stored in multiple temporal modes and believe that their multimode solid-state quantum memories are promising alternative to atomic gases. To realize scalable quantum information networks, it will be important to develop techniques for storage and retrieval of light at the single photon level. Quantum interfaces between light and matter have been demonstrated, but mainly with atomic gases that involve sophisticated schemes to trap the atoms. This paper demonstrates a potentially more practical approach; coherent and reversible mapping of a light field with less than one photon per pulse onto an ensemble of ∼107 atoms naturally trapped in a solid state medium. The state of the light is mapped onto collective atomic excitations on an optical transition and stored for a pre-programmed time up of to one microsecond before being retrieved again. Coherent and reversible mapping of quantum information between light and matter is an important experimental challenge in quantum information science. In particular, it is an essential requirement for the implementation of quantum networks and quantum repeaters1,2,3. So far, quantum interfaces between light and atoms have been demonstrated with atomic gases4,5,6,7,8,9, and with single trapped atoms in cavities10. Here we demonstrate the coherent and reversible mapping of a light field with less than one photon per pulse onto an ensemble of ∼107 atoms naturally trapped in a solid. This is achieved by coherently absorbing the light field in a suitably prepared solid-state atomic medium11. The state of the light is mapped onto collective atomic excitations at an optical transition and stored for a pre-determined time of up to 1 μs before being released in a well-defined spatio-temporal mode as a result of a collective interference. The coherence of the process is verified by performing an interference experiment with two stored weak pulses with a variable phase relation. Visibilities of more than 95 per cent are obtained, demonstrating the high coherence of the mapping process at the single-photon level. In addition, we show experimentally that our interface makes it possible to store and retrieve light fields in multiple temporal modes. Our results open the way to multimode solid-state quantum memories as a promising alternative to atomic gases.

We perform a review of various approaches to the implementation of quantum memories, with an emphasis on activities within the quantum memory sub-project of the EU integrated project “Qubit Applications”. We begin with a brief overview over different applications for quantum memories and different types of quantum memories. We discuss the most important criteria for assessing quantum memory performance and the most important physical requirements. Then we review the different approaches represented in “Qubit Applications” in some detail. They include solid-state atomic ensembles, NV centers, quantum dots, single atoms, atomic gases and optical phonons in diamond. We compare the different approaches using the discussed criteria.

Recently, weak measurements were used to measure small effects that are transverse to the propagation direction of a light beam. Here we address the question of whether weak measurements are also useful for measuring small longitudinal phase shifts. We show that standard interferometry greatly outperforms weak measurements in a scenario involving a purely real weak value. However, we also present an interferometric scheme based on a purely imaginary weak value, combined with a frequency-domain analysis, which may have the potential to outperform standard interferometry by several orders of magnitude.